包明浩 夏華林 于 超

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)） 青島 266590）

國(guó)內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)新技術(shù)的研究

包明浩 夏華林 于 超

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)） 青島 266590）

隨著傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展，在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理念的背景下，由于傳統(tǒng)隧道監(jiān)測(cè)方法缺點(diǎn)的限制，新的監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中有顯示出優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)：三維激光掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并且數(shù)據(jù)誤差?。还饫w傳感器能夠耐腐蝕，圖像分辨率高，結(jié)果精度高，自動(dòng)化水平高等，這些新技術(shù)表現(xiàn)出日益蓬勃的生機(jī)。本文著重介紹國(guó)內(nèi)新監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究及其現(xiàn)狀并指出他們將是隧道變形監(jiān)測(cè)未來(lái)重要的發(fā)展方向。

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；三維激光掃描；光纖傳感器

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速加快，對(duì)隧道建設(shè)的需求越來(lái)越大。對(duì)我國(guó)5000座鐵路隧道統(tǒng)計(jì)中，大約有1/3的隧道有襯砌結(jié)構(gòu)裂縫和滲水漏水的情況[1]。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為隧道安全運(yùn)營(yíng)的當(dāng)務(wù)之急?！八淼澜Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)”這個(gè)概念自 1997年[2]提出發(fā)展到現(xiàn)在，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)取得了階段性成功。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)在較流行的定義是Housner提出來(lái)的：利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過(guò)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征分析，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。這個(gè)概念在國(guó)內(nèi)被廣泛接受。

本文側(cè)重介紹了隧道監(jiān)測(cè)新技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，高效、快速、精確的特點(diǎn)使得這些新技術(shù)將成為隧道健康監(jiān)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 傳統(tǒng)隧道變形監(jiān)測(cè)

就目前而言，之前隧道變形監(jiān)測(cè)采用的設(shè)備大多是經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺式收斂計(jì)[3]等。這些測(cè)量設(shè)備具有成本低、操作簡(jiǎn)單、通用性好等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于現(xiàn)代化隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的要求而言其缺點(diǎn)[4]也是醒目的：（1）取點(diǎn)是點(diǎn)式的。（2）環(huán)境差異大使得設(shè)備測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。（3）自動(dòng)化程度不高。（4）不具備長(zhǎng)距離、三維監(jiān)測(cè)能力。

下面主要就目前重要的新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀做一介紹。

3 隧道健康監(jiān)測(cè)新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 多傳感器變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)測(cè)量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的多傳感器的發(fā)展和應(yīng)用大大提高了隧道監(jiān)測(cè)的精度和效率。

劉正根、黃宏偉第一次在國(guó)內(nèi)采用由靜力水準(zhǔn)儀、直線位移計(jì)、鋼筋腐蝕傳感器、應(yīng)變計(jì)以及裂縫計(jì)組成的沉管隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沉管隧道做了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)同步的結(jié)構(gòu)分析與安全評(píng)定，對(duì)隧道的變形情況作了預(yù)警，為沉管隧道的監(jiān)測(cè)開(kāi)辟了道路。張成平運(yùn)用遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)北京地鐵5號(hào)線施工做了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不但證明了新一代遠(yuǎn)程多傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)具有可以在高密度行車區(qū)間內(nèi)實(shí)施監(jiān)測(cè)作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，而且其具有便捷性、實(shí)時(shí)行、有效性和可靠性。周奇才使用誤差分析理論對(duì)系統(tǒng)測(cè)量誤差進(jìn)行分析，并指出滿足1km的測(cè)量長(zhǎng)度上獲得±3毫米的精度時(shí)，圖像傳感器應(yīng)滿足的精度條件，為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確度提供了根據(jù)。

劉洪震推導(dǎo)出了全站儀固定測(cè)站三角高程測(cè)量精度公式，依照很多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并且使用全站儀三角高程法與NA2水準(zhǔn)儀法結(jié)果對(duì)比分析得出使用全站儀固定測(cè)站進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，解決了因?yàn)楦鞣N原因不易立尺的問(wèn)題。陳龍浩利用靜力水準(zhǔn)儀高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)域地表建筑物變形數(shù)據(jù)，并建立了各影響因素改正模型，對(duì)變形體微變形實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。戴加?xùn)|通過(guò)對(duì)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在某工程中的初步應(yīng)用，將靜力水準(zhǔn)與光學(xué)水準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，總結(jié)了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

多傳感器變形監(jiān)測(cè)技術(shù)是傳統(tǒng)設(shè)備全站儀、水準(zhǔn)儀等和別的技術(shù)加以結(jié)合成的技術(shù)，有遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的缺陷，能高效、動(dòng)態(tài)、全天候、高精度地實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)。不僅測(cè)量精度增加了，而且工作繁瑣程度大大降低了。此技術(shù)，在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用很廣泛，具有不錯(cuò)的實(shí)用價(jià)值。

3.2 三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”的三維激光掃描技術(shù)可以獲取到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間目標(biāo)的三維立體信息，被認(rèn)為是從點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的技術(shù)性改革。

馮發(fā)杰、劉會(huì)武結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，在隧道的變形分析中提出變形分析方法，通過(guò)對(duì)比分析變形前后異常點(diǎn)的變化情況可實(shí)現(xiàn)隧道的變形分析?？抵局依萌S激光掃描技術(shù)結(jié)合高精度、高空間分辨率的多時(shí)相點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地鐵隧道連續(xù)形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理，為城市地鐵交通安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。劉紹堂、潘國(guó)榮采用誤差分析理論和工程實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究方法，研究三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道環(huán)境進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的誤差來(lái)源和影響規(guī)律，為三維激光掃描技術(shù)結(jié)果的精確度提升了一個(gè)高度。

李萬(wàn)莉分析了新型監(jiān)測(cè)車上的激光探頭分布形式以及截面擬合的算法進(jìn)行探討并提出新型的算法，防止監(jiān)測(cè)事故的發(fā)生，有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。陳欣將高速公路隧道監(jiān)測(cè)與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，探索了一套從三維激光掃描點(diǎn)云中提取橫縱斷面、與隧道斷面設(shè)計(jì)對(duì)比、多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)全斷面變形檢測(cè)的理論方法。

可見(jiàn)三維激光掃描技術(shù)使得數(shù)據(jù)收集加快了，提高數(shù)據(jù)處理效率降低了作業(yè)強(qiáng)度，將是未來(lái)隧道健康監(jiān)測(cè)的重要手段之一。另外筆者認(rèn)為，三維激光掃描技術(shù)還將在三維建模和軸線變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)方面得到更好的發(fā)展。

3.3 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)包括SOFO點(diǎn)式光纖傳感器、光纖光柵傳感器FBG、分布式光纖傳感器BOTDA，具有抗電磁干擾、響應(yīng)快、精度高、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)。

張帥軍通過(guò)對(duì)鋼筋應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變規(guī)律、溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，指出光纖傳感器反應(yīng)靈敏且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能夠反映出各種變化。但因?yàn)楣饫w傳感器首次被應(yīng)用在地下工程監(jiān)測(cè)還存在一些不足之處。劉紹堂采用文獻(xiàn)分析和比較分析方法，研究了布設(shè)形式，討論了數(shù)據(jù)處理方法。研究指出此技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵和隧道工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

張娟針對(duì)目前青藏高原的凍土區(qū)域，探索了低溫條件下分布式布里淵光纖技術(shù)空間分辨率和測(cè)量精度的關(guān)系，彌補(bǔ)了BOTDA在低溫條件下中長(zhǎng)距離傳感范圍研究的空白。史彥新等在整個(gè)巫山殘聯(lián)滑坡體上放置監(jiān)測(cè)光纖，利用布里淵得到了滑坡體的變形數(shù)據(jù)。宋震運(yùn)用BOTDA對(duì)錨桿的軸向應(yīng)變做了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果驗(yàn)證了基于布里淵的錨桿應(yīng)變分布監(jiān)測(cè)的可行性。沈圣將靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器相結(jié)合，提出基于改進(jìn)共軛梁法的盾構(gòu)隧道縱向沉降分布監(jiān)測(cè)策略，最后通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明策略監(jiān)測(cè)沉降的最大誤差僅為10%，保證了長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的精度。

在建隧道監(jiān)測(cè)中常遇到的封裝保護(hù)、溫度補(bǔ)償及系統(tǒng)集成問(wèn)題，魏廣慶以具體工程案例對(duì)FBG纖細(xì)脆弱、交叉敏感的問(wèn)題進(jìn)行了分析。指出通過(guò)一定的措施可以大幅提高埋入式FBG傳感器的成活率。關(guān)袁玉通過(guò)FBG傳感器對(duì)隧道斷面的應(yīng)變情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明數(shù)據(jù)的曲線走勢(shì)在一定程度上反映了隧道二次襯砌的變化，為進(jìn)一步的病害預(yù)報(bào)提供了有效的支持，保證了隧道健康運(yùn)營(yíng)。

光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展能夠?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，一個(gè)真正意義上的TSHMS將建立并將不斷得到完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

新技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了TSHMS發(fā)展，這些新技術(shù)表現(xiàn)出日益旺盛的生命力，為TSHMS的發(fā)展增添新的活力，他們將為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)帶來(lái)新生機(jī)。

[1]方利成, 杜彬,張曉峰.隧道工程病害防治圖集[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2001.

[2]HousnerGW,BergmanLA, CaugheyTK, etc. Al. StructuralControl:Past, Present,and Future[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1997(9): 897－971．

[3]劉紹堂,王志武.隧道圍巖收斂監(jiān)測(cè)方法及其特點(diǎn)[J].鐵道建筑,2008(7): 44-46.

[4]施斌,張丹,王寶軍. 地質(zhì)與巖土工程分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)及其發(fā)展[A]. 中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì).工程地質(zhì)力學(xué)創(chuàng)新與發(fā)展暨工程地質(zhì)研究室成立50周年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì),2008:8.

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1007-6344（2016）07-0011-01